[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Calcitonine und Calcitonin-Derivate mit
hypocalcämischem Effekt. Derartige Calcitonine und Calcitonin-Derivate werden insbesondere
im Bereich der pharmazeutischen Industrie und im Bereich der Medizin, beispielsweise
zur Behandlung von Osteoporose, der Paget'schen Krankheit oder der Hypercalcämie eingesetzt.
[0002] Calcitonine sind Peptidhormone, die aus 32 Aminosäuren bestehen. Aufgrund ihres hypocalcämischen
Effektes und der durch sie bewirkten Inhibition des Knochenabbaus besitzen sie große
pharmakologische Bedeutung. Sie werden therapeutisch eingesetzt zur Behandlung von
Osteoporose, der Paget'schen Krankheit oder der Hypercalciämie. Verwendet werden dabei
insbesondere die Calcitonine des Menschen (hCt), des Schweines (pCt) oder von ultimobranchialen
Spezies, wie dem Lachs (sCt) oder dem Aal (eCt).
[0003] Die Calcitonine oder deren Derivate von ultimobranchialen Spezies besitzen in vivo
eine 20- bis 50fach höhere Wirksamkeit als das humane Calcitonin. Daher werden diese
Calcitonine vorzugsweise zu therapeutischen Zwecken eingesetzt. Die Calcitonine der
ultimobranchialen Spezies unterscheiden sich jedoch in ihrer Aminosäuren-Abfolge erheblich
von dem Peptid des humanen Calcitonins. Beispielsweise unterscheidet sich das Lachs-Calcitonin
in 16 der 32 Aminosäuren von dem humanen Calcitonin. Dennoch wird es bis heute angewandt,
da aufgrund seiner erheblich höheren Wirkung die Dosierung zu therapeutischen Zwecken
niedriger gehalten werden kann.
[0004] Nachteilig an Calcitoninen ultimobranchialer Spezies ist jedoch, daß sie aufgrund
der Aminosäuren-Unterschiede eine Immunreaktion im Menschen hervorrufen. Diese hohe
Antigenizität führt zur Antikörperbildung gegen das jeweilige therapeutisch eingesetzte
Calcitonin, oftmals bereits sechs Monate nach Applikationsbeginn. Diese hohe Antigenizität
führt anschließend zu sekundärer Resistenz und Desensitisierung gegenüber dem eingesetzten
Calcitonin. Dies erfordert andererseits die Applikation höherer Dosen, welche wiederum
zu höherer Antikörperbildung und damit sekundärer Resistenz sowie zu weiteren Nebeneffekten
(Gegenaßzeigen) führen.
[0005] Von den bekannten Calcitoninen sind weitere, gegenüber der nativen Form aktivere
Derivate bekannt. Beispielsweise führt ein Austausch von drei bis fünf Aminosäure-Resten
auf der hydrophoben Seite der potentiellen α-helikalen Region (8-22) von hCt durch
Leucine zu aktiveren Calcitonin-Analoga. Die Aktivität der Calcitonin-Derivate wird
dabei auf eine enge Beziehung zwischen einer potentiellen amphiphilen α-helikalen
Region zwischen den Aminosäureresten 8 und 22 und der biologischen Wirkung des Moleküls,
andererseits auf die Konformationsflexibilität und die "durch-den-Raum" -Wirkungen
verschiedener Molekül-Regionen zurückgeführt.
[0006] Abgesehen von sCt und α-Aminosuberinsäure-1,7-eCt finden diese Analoga jedoch bisher
keine weitere klinische Anwendung zur Behandlung der oben erwähnten Krankheiten.
[0007] Da aufgrund der hohen proteolytischen Abbaurate (in-vivo-Halbwertszeit) der zur Zeit
therapeutisch eingesetzten Calcitonine verhältnismäßig hohe Mengen verabreicht werden
müssen, wobei dies - wie oben beschrieben - wiederum zu einer schnellen Antikörperbildung
(sekundäre Resistenz) und eventuellen Nebeneffekten (Gegenanzeigen) führt, wird der
Erhöhung der Bioaktivität oder Proteolyse-Resistenz große Bedeutung beigemessen.
[0008] Derartige konformationsstabilisierte Analoga von hCt mit erhöhter hypocalcämischer
Wirkung sind aus der DE 44 31 121 A1 bekannt. In dieser Schrift sind hCt-Derivate
beschrieben, bei denen durch die Einführung einer kovalenten Lactamverbrückung zwischen
den Aminosäuren in Positionen 17 und 21 eine 20-gliedrige Ringstruktur erzeugt wird,
beispielsweise indem die Aminosäure in Position 17 Asparaginsäure und die Aminosäure
in Position 21 Lysin ist. Diese hCt-Analoga besitzen eine erhöhte Konformationsstabilität
und eine erhöhte hypocalcämische Wirkung.
[0009] Diese hypocalcämische Wirkung ist jedoch noch nicht ausreichend, um eine therapeutische
Anwendung dieser hCt-Analoga zur Behandlung der oben beschriebenen Krankheiten zu
ermöglichen.
[0010] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Calcitonine oder Calcitonin-Derivate zur
Verfügung zu stellen, die eine erhöhte Konformationsstabilität aufweisen und eine
hohe biologische Aktivität besitzen.
[0011] Diese Aufgabe wird durch die Calcitonine und Calcitonin-Derivate nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
[0012] Die erfindungsgemäßen Calcitonine und Calcitonin-Derivate besitzen eine Verbrückung
zwischen den Aminosäuren an den den Positionen 17 und 21 des humanen Calcitonins entsprechenden
Positionen. An diesen Positionen sind derartige Aminosäuren eingebaut, daß durch die
Verbrückung ein Ring gebildet wird, der 18 oder 19 Glieder aufweist. Im Gegensatz
zu den aus dem Stand der Technik bekannten 20-gliedrigen Ringstruktur sind die erfindungsgemäßen
Calcitonine bezüglich ihrer Konformation stabilisierter, so daß der proteolytische
Abbau verlangsamt ist. Weiterhin weisen diese erfindungsgemäßen Calcitonine und Calcitonin-Derivate
eine sehr hohe Aktivität auf, wodurch eine geringe Dosierung möglich ist. Dadurch,
daß die Sequenz sehr ähnlich zum humanen Molekül ist, tritt keine Immunreaktion (keine
sekundäre Resistenz) auf. Insgesamt wurde festgestellt, daß die Ringverkleinerung
im Vergleich zum Stand der Technik zu einer sehr hohen Aktivität führt, so daß sich
eine 19-gliedrige oder 18-gliedrige Ringstruktur als Leitstruktur für weitere potente
Calcitonin-Analoga über die in den Beispielen beschriebenen hinaus eignet.
[0013] Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Calcitonine und Calcitonin-Derivate
werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
[0014] Die Aminosäuren in den Positionen 17 und 21 können durch geeignete Linker oder bei
entsprechender Auswahl der Aminosäure über eine Lactambrücke verbrückt sein. Besonders
vorteilhafte Eigenschaften besitzen Calcitonine, bei denen sich an den genannten Positionen
Asparaginsäure und Ornithin statt Asparagin und Threonin im humanen Calcitonin befinden.
Dieses Calcitonin ist 360-mal aktiver als das ursprüngliche humane Calcitonin und
immer noch 3-mal aktiver als Calcitonin aus Lachs (sCt).
[0015] Auch durch die Einfügung von Glutaminsäure und α,γ-Diaminobuttersäure statt Asparagin
und Threonin an den Positionen 17 und 21 wird ein 19-gliedriger Ring und ein hochaktives
Analog erzeugt.
[0016] Ein erfindungsgemäßes Calcitonin-Derivat mit 18-gliedrigem Ring ergibt sich durch
den Ersatz der Aminosäuren Asparagin und Threonin an den Positionen 17 bzw. 21 durch
Asparaginsäure bzw. α,γ-Diaminobuttersäure. Dieses Calcitonin-Derivat ist ca. 30-mal
aktiver als das ursprüngliche humane Calcitonin.
[0017] In dieser Erfindung werden weitere hochacktive Analoga mit einem 19- oder 18-gliedrigen
Ring gegeben einschließlich der folgenden Aminosäurepaare in den Positionen 17 und
21 des Calcitonins 21:
1,3-Diaminopropionsäure und 2-Aminoadipinsäure, oder
2-Aminoadipinsäure und 1,3-Diaminopropionsäure, oder
1,3 Diaminopropionsäure und 5-Carboxymethylcystein, oder
5-Carboxymethylcystein und 1,3 Diaminopropionsäure, oder
2-Aminoadipinsäure und Serin oder
Serin und 2-Aminoadipinsäure oder
Glutaminsäure und Serin oder
Serin und Glutaminsäure.
[0018] Die genannte Erhöhung der Stabilität und Aktivität durch die Einführung des erfindungsgemäßen
18-gliedrigen bzw. 19-gliedrigen Ringsystems ergibt sich jedoch nicht nur bei humanem
Calcitonin, sondern auch bei den Calcitoninen des Schweines oder der ultimobranchialen
Spezies wie Lachs oder Aal oder deren bisher bekannten Analoga. Beispielsweise kann
die Aktivität eines bekannten hochaktiven Analogons, bei dem die Positionen 1 und
7 durch einen α-Aminosuberinsäure-Rest ersetzt sind, durch die Einführung eines 18-gliedrigen
oder 19-gliedrigen Ringes wie oben beschrieben weiter gesteigert werden. Auch bei
bereits bekannten Analoga ergibt sich also durch die Einführung der erfindungsgemäßen
18- bzw. 19-gliedrigen Ringstruktur eine Verbesserung der Stabilität und Aktivität.
[0019] Im folgenden werden einige Beispiele der erfindungsgemäßen Calcitonine und Calcitonin-Derivate
sowie ihre Herstellung gegeben. Es zeigen:
- Fig. 1
- die Primärstruktur des humanen Calcitonins nach dem Ein-Buchstaben-Code für Aminosäuren;
- Fig. 2
- die Primärstruktur des Cyclo17,21-(Asp17,Orn21]-hCt nach dem Ein-Buchstaben-Code für Aminosäuren.
[0020] Fig. 1 zeigt die Primärstruktur des humanen Calcitonins. An den Positionen 17 und
21 befindet sich Asparagin bzw. Threonin.
[0021] Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes humanes Calcitonin, bei dem die Aminosäuren in
Positionen 17 und 21 durch Asparaginsäure bzw. Ornithin ersetzt und ihre Seitenketten
zur Erzeugung eines 19-gliedrigen Ringes über eine Lactam-Verbrückung kovalent verbunden
sind. Dabei ist die Aminosäuresequenz im Ein-Buchstaben-Code geschrieben, jedoch die
Aminosäuren 17 und 21 zur besseren Veranschaulichung nach dem Drei-Buchstaben-Code
und ihre über eine Lactam-Brücke verbundenen Seitenketten mit ihren Strukturformeln
dargestellt. Weiterhin ist die S-S-Verbrückung zwischen Cys
1 und Cys
7 angedeutet.
[0022] Dieses erfindungsgemäße Calcitonin besitzt eine Aktivität, die im Maus-in-vivo-Test
um das 363-fache über der Aktivität des in Fig. 1 dargestellten humanen Calcitonins
liegt. Vorteilhaft an diesem in Fig. 2 dargestellten Calcitonin sind folglich seine
hohe Aktivität und seine hohe konformationelle Stabilität, weshalb eine geringe Dosierung
zu therapeutischen Zwecken möglich ist. Dies führt dazu, daß keine sekundären Resistenzen
zu erwarten sind. Weiterhin handelt es sich hierbei um das erste humane Calcitonin,
das eine ausreichend hohe Aktivität für die therapeutische Anwendung aufweist. Da
die Primärstruktur neben dem Austausch von Asparagin gegen Asparaginsäure nur in einer
weiteren Aminosäure (Ornithin statt Threonin) geringfügig von der Primärstruktur des
nativen humanen Calcitonins abweicht, sind nur sehr geringe bis keine Immunreaktionen
zu erwarten, und daher können Nebenwirkungen (wie z.B. sekundäre Resistenz) weitgehend
vermieden werden.
[0023] Statt Asparaginsäure und Ornithin in den Positionen 17 bzw. 21 wird auch durch die
Verwendung von Glutaminsäure bzw. α,γ-Diaminobuttersäure in diesen Positionen ein
19-gliedriger Ring erreicht, wodurch sich ein Derivat des humanen Calcitonins ergibt,
das ebenfalls eine hohe Aktivität und hohe Stabilität bei gleichzeitig äußerst geringer
Immunreaktion aufweist.
[0024] Als Beispiel für einen 18-gliedrigen Ring wird hier das Calcitonin-Derivat gegeben,
bei dem in den Positionen 17 bzw. 21 Asparaginsäure bzw. α,γ-Diaminobuttersäure angeordnet
sind. Hierdurch ergibt sich ein Derivat des humanen Calcitonins mit einem 18-gliedrigen
Ring, das ebenfalls eine hohe Aktivität, hohe konformationelle Stabilität aufweist,
wobei aufgrund der geringen Unterschiede zur Primärsequenz des nativen humanen Calcitonins
nur eine geringe Immunreaktion auftritt.
[0025] Die genannten Verbesserungen der Aktivität und Stabilität können ebenfalls bei bereits
bekannten Calcitoninen, beispielsweise des Lachses, des Aales oder des Schweines,
oder deren bereits bekannten Analoga erzielt werden.
[0026] Die erfindungsgemäßen Calcitonine und Calcitonin-Derivate werden im wesentlich peptidsynthetisch
hergestellt.
[0027] Im folgenden wird beispielhaft die Synthese und Aufreinigung, Charakterisierung und
Testung der biologischen Aktivität des Cyclo
17,21-[Asp
17,Orn
21]-hCt aus Fig. 1 beschrieben.
Synthese und Aufreinigung
[0028] Für die Synthesen der in dieser Erfindung beschriebenen konformationsstabilisierten
Calcitonin-Analoga wird die Festphasenmethode der Peptidsynthese in Verbindung mit
einer Methode zur Herstellung von cyclischen, durch die Seitenketten lactamverbrückten
Peptide, direkt auf den polymeren Träger (Harz) nach Felix A.M. et al. (Int. J. Pept.
Prot. Res.
32 (1988), 441-445) eingesetzt. Die Synthese des hCt-Analogons Cyclo
17,21-[Asp
17,Orn
21]-hCt wird im folgenden detailliert beschrieben:
[0029] Zunächst wird Peptidharz (1) (N-Boc-(hCt(22-32))-MBHA) nach gängigen Methoden der
Festphasenpeptid-Synthese wie folgt hergestellt:
[0030] 4 g eines p-Methylbenzhydrylamin-Harzes, welches in der Form eines HCl-Salzes vorliegt,
mit einer Beladung von 0,65 mmol/g wird in einer Schüttelente zunächst mit Triethylamin
in DMF (Dimethylformamid) neutralisiert und mit DMF und Dichlormethan (DCM) gewaschen.
Es folgt die Zugabe von Boc-Pro-OH und DCC in dreifachem Überschuß (7,2 mmol) in Dichlormethan
(30 ml), und die Reaktionssuspension wird 18 h geschüttelt. Danach wird das Polymer
mit DCM, iProOH, DCM, DMF gewaschen und die Beladung des Harzes nach der Pikrinsäure-Methode
bestimmt (0,62 mmol/g). Die restlichen freien Aminogruppen werden mittels Essigsäureanhydrid
(26 mmol) und Pyridin (26 mmol) in DCM (30 ml) (1 h) acetyliert und wie üblich gewaschen.
Für die anschließende Verlängerung der Peptidkette wird die TBTU-Methode (3-facher
Überschuß an geschützter Aminosäure) in DMF verwendet. Die Vollständigkeit der Kupplungen
wird mittels des Kaiser-Testes überprüft. Für Ile
27 und Phe
22 werden doppelte Kupplungen durchgeführt. Die Aminosäure-Derivate sind N-Boc-geschützt,
und Thr wird als Boc-Thr(Bz) eingesetzt. Für die Abspaltung der Boc-Gruppe wird 50
% TFA (Trifluoressigsäure) in DCM verwendet (30 min). Das wie oben beschrieben erhaltene
Peptidharz 1 hat eine Substitution von 0,57 mmol/g und wird durch Aminosäureanalyse
und FAB-MS nach Abspaltung des Peptids aus einem kleinen Teil des Peptidharzes charakterisiert.
Ein Teil des wie oben beschrieben erhaltenen Peptidharzes 1 (500 mg; 0,17 mmol) wird
mit Boc-Orn(Fmoc) gekuppelt (1 mmol) und anschließend mit Essigsäureanhydrid (1 mmol)
in Gegenwart von Pyridin (1 mmol) acetyliert. Das erhaltene "verdünnte" (Beladung
0,21 mmol/g Harz) Peptidharz wird dann bis zum Aminosäure-Rest Asp
17 verlängert (Kupplungsmethode wie beschrieben für 1). Dabei werden N-Boc-geschützte
Aminosäure-Derivate verwendet, und His
20 und Lys
18 werden als Boc-Lys(2ClZ) und Boc-His(Bom) eingesetzt. Die N
α-Fmoc-Gruppe von Orn
21 und der Fluorenylmethylester(OFm)-Schutz des β-Carboxyls von Asp
17 werden durch Behandlung mit einer 20%igen Piperidinlösung in DMF (1 x 1 min; 1 x
28 min) nach der Methode von Felix et al. (Felix, A.M. et al., Int. J. Pept. Protein
Res.
32 (1988) 441-454) abgespalten. Die Lactam-Verbrückung zwischen den von Schutzgrupopen
befreiten Seitenketten von Asp
17 und Orn
21 erfolgt dann durch die Zugabe von BOP (Benzotriazol-1-yl-oxy-tris-(dimethylamino)-phosphoniumhexafluorophosphat)
(0,3 mmol) und DIEA (0,34 mmol) in DMF (50 ml) zum Peptidharz und anschließendes Schütteln
(für 4 h). Die Cyclisierung wird durch den Kaiser-Test verfolgt.
[0031] Nach dem Entfernen der Kupplungsreagenzien wird das Peptidharz wie oben beschrieben
acetyliert. Die weitere Verlängerung des so erhaltenen Peptidharzes mit N-Boc-geschützten
Aminosäuren erfolgt nach der TBTU-Kupplungsmethode. Die Seitenketten der trifunktionellen
Aminosäuren werden wie folgt geschützt:
[0032] Asp(β-OcHx), Cys(S-p-Mb), Glu(γ-OBzl), Thr(Bzl) und Tyr(2BrZ). 100 mg des so erhaltenen
NH
2-Cyclo
17,21-[Asp
17,Orn
21]-hCt-MBHA werden mit einer Mischung aus HF/Anisol/Dimethylsulfid/p-Thiokresol im
Verhältnis 10/1/1/0,2 (v/v/v/w), welche auch Cystein in einer Endkonzentation von
0,27 M enthält, behandelt (30 min bei -20 °C und 1 h auf 0 °C). Das von Schutzgruppen
befreite und vom Harz abgespaltene Rohprodukt wird durch Zugabe von Ether ausgefällt,
mit Ether dreimal gewaschen und in 10 % Essigsäure extrahiert (4 x 20 ml) und lyophilisiert.
Es folgt Luftoxidation dieses Rohproduktes zur Schließung der Disulfidbrücke in einer
0,1 M NH
4HCO
3-Lösung bei hoher Verdünnung (10
-4 M) im Dunkeln (24 h). Danach wird die Lösung lyophilisiert. Das so erhaltene Rohprodukt
wird durch präparative Umkehrphasen-HPLC auf einer C
18-Säule gereinigt. Es wird ein Gradient von 30-70 % B über 30 min verwendet, wobei
A aus 0,058 % TFA in Wasser und B aus 0,05 % TFA in 90 % Acetonitril besteht. Die
Detektion der Peptide erfogt bei 220 nm.
[0033] Die Synthese und Aufreinigung der anderen hCt-Analoga mit 19- bzw. 18-gliedriger
Ringstruktur erfolgt analog.
Charakterisierung
[0034] Die Reinheit des so erhaltenen Cyclo
17,21-[Asp
17,Orn
21]-hCt wurde durch Aminosäure-Analyse bestimmt. Zum Identitätsnachweis wurde zudem
MALDI-TOF-Massenspektrometrie oder Elektrospray-Massenspektrometrie eingesetzt. Die
Bestimmung der Konformation der Analoga erfolgte durch Circulardichroismus-Spektropolarimetrie.
Testung der biologischen Aktivität
[0035] Die biologische Aktivität der Analoga wurde mittels eines hypocalcämischen Testes
in vivo in BALB/c-Mäusen bestimmt.
[0036] Tabelle 1 zeigt die Dosis-Wirkungsbestimmung des hypocalcämischen Effektes von Cyclo
17,21-[Asp
17,Orn
21]-hCt im Vergleich zu nativem humanen Calcitonin (hCt) und Calcitonin aus Lachs (sCt).
Die biologische Aktivität ist als Prozent [%] Aktivität des maximal in diesem Test
erreichbaren hypocalcämischen Effektes, wie er durch 2 µg hCt erreicht wird, dargestellt.
Tabelle 1
Konzentration der Peptide (ng/ml) |
Cyclo17,21-[Asp17,Orn21]-hCt (%) |
hCt (%) |
sCt (%)] |
10 |
86,8 |
35,2 |
- |
1 |
76,3 |
15,8 |
63,2 |
0,1 |
68,4 |
5,8 |
51,6 |
0,01 |
36,8 |
- |
21,1 |
1. Calcitonine und Calcitonin-Derivate mit einer Verbrückung zwischen den Aminosäuren
an den den Positionen 17 und 21 des humanen Calcitonins entsprechenden Positionen,
dadurch gekennzeichnet,
daß in diesen Positionen solche Aminosäuren angeordnet sind, daß der durch die Verbrückung
gebildete Ring 18 oder 19 Glieder aufweist.
2. Calcitonine und Calcitonin-Derivate nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Aminosäuren in den Positionen 17 und 21 durch eine
Lactambrücke verbrückt sind.
3. Calcitonine und Calcitonin-Derivate nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Aminosäuren in den Positionen 17 und 21 durch geeignete
Linker verbrückt sind.
4. Calcitonine und Calcitonin-Derivate nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Positionen 17 bzw. 21 Asparaginsäure bzw.
Ornithin oder Ornithin bzw. Asparaginsäure befinden.
5. Calcitonine und Calcitonin-Derivate nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Positionen 17 und 21 Paare von Asparaginsäure
und α,γ-Diaminobuttersäure oder α,γ-Diaminobuttersäure und Asparaginsäure oder Glutaminsäure
und α,γ-Diaminobuttersäure oder
α,γ-Diaminobuttersäure und Glutaminsäure oder
1,3-Diaminopropionsäure und 2-Aminoadipinsäure oder
2-Aminoadipinsäure und 1,3-Diaminopropionsäure oder
1,3-Diaminopropionsäure und 5-Carboxymethylcystein oder
5-Carboxymethylcystein und 1,3-Diaminopropionsäure oder
2-Aminoadipinsäure und Serin oder
Serin und 2-Aminoadipinsäure oder
Glutaminsäure und Serin oder
Serin und Glutaminsäure befinden.
6. Calcitonine und Calcitonin-Derivate nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ihre Aminosäuresequenz im übrigen der Sequenz bekannter
Calcitonine bzw. bekannter Calcitoninanaloga, insbesondere des Menschen, des Lachses,
des Aals oder des Schweines entspricht.
7. Calcitonine und Calcitonin-Derivate nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Cysteinreste in den Positionen 1 und 7 durch einen
α-Aminosuberinsäurerest ersetzt sind.